带有物理约束的神经偏微分方程求解器:PINNs、DRM 和 WANs 的比较研究

偏微分方程(PDE)是科学与工程模型的基础,但解析解通常难以获得,而传统基于网格的求解器在高维情况下计算成本高昂。本论文对三种无网格神经PDE求解器——物理信息神经网络(PINNs)、深度里兹方法(DRM)和弱对抗网络(WANs)——在泊松问题(最高5维)以及一维/二维稳态薛定谔方程(无限深势阱和谐振子)中的表现进行了统一比较,并通过克拉默斯-亨内伯格(KH)变换将研究扩展至激光驱动下的薛定谔方程案例。 在统一实验框架下,当结合强制边界条件(FBCs)、强制节点(FNs)和正交正则化(OG)时,所有方法均能实现低L²误差(10⁻⁶至10⁻⁹量级)。综合各任务表现:PINNs在精度和激发态谱恢复方面最具可靠性;DRM在稳态问题上提供最佳精度-耗时平衡;WAN虽更敏感,但在有效应用弱形式约束和FN/OG时具有竞争力。敏感性分析表明:FBC可消除边界损失调参;对单网络求解器而言,网络宽度比深度更重要;大部分性能提升发生在5000-10000训练周期内。该工具包同样适用于KH案例,显示出超越标准基准的迁移能力。 该研究提出了方法选择的实用指南,并规划了以下扩展方向:开发DRM和WAN的瞬态求解方案、自适应残差驱动采样、并行多态训练以及神经域分解。这些成果论证了基于物理指导的神经求解器作为可信赖、可扩展工具解决复杂PDE问题的潜力。

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提交arXiv: 2025-10-09 13:41

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